减少建筑物冷却需求的被动解决方案

ADBI工作文件系列 减少建筑物冷却需求的被动式解决方案 魏峰 编号1387 2023年5月 亚洲开发银行研究所 魏峰是中华人民共和国广东省深圳市深圳先进技术研究院中国科学院的研究科学家，也是美国加利福尼亚州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的附属科学家。 本文所表达的观点是作者的观点，并不一定反映ADBI、亚行、其董事会或其所代表的政府的观点或政策。ADBI不保证本文中包含的数据的准确性，并且对使用这些数据的任何后果不承担任何责任。使用的术语可能不一定与亚行官方术语一致。 讨论文件在定稿和考虑发表之前，必须进行正式修订和更正。 工作文件系列是以前命名的讨论文件系列的延续；论文的编号继续进行，没有中断或更改。ADBI的工作文件反映了对某个主题的初步想法，并在线发布以供讨论。一些工作文件可能会发展成为其他形式的出版物 。 亚洲开发银行将“中国”称为中华人民共和国。建议引用： Feng,W.2023.PassiveSolutionstoreducetheneedforcoolinginbuildings.ADBIWorkingPaper1387.Tokyo:AsianDevelopmentBankInstitute.Available:https://doi.org/10.56506/ABDS1960 请联系作者以获取有关本文的信息。电子邮件：w.feng@siat.ac.cn，wefeng@lbl.gov 亚洲开发银行研究所Kasumigaseki大楼，8楼3-2-5Kasumigaseki，Chiyoda-ku 东京100-6008,日本 Tel:+81-3-3593-5500 传真：+81-3-3593-5571 URL:电子邮件： ©2023亚洲开发银行研究所 Abstract 本文介绍了旨在减少建筑物冷却能源需求的设计，技术和最佳实践。它涵盖了为什么居住者需要冷却以满足热舒适要求以及热量如何从室外环境传递到建筑物的基本原理。被动设计有助于建筑物利用自然冷却资源，并最大限度地利用自然通风等自由冷却机会。本文总结了建筑物中使用的每种被动策略的最佳实践。因此，建筑师和工程师还将能够更好地确定功能空间的方向，并设计冷却操作策略，以便在需要的地方和时间为空间提供冷却。建筑围护结构提供了必要的绝缘，以阻止热量从炎热的室外环境传递到室内环境。介绍了设计高性能建筑围护结构的标准。对于开窗系统，本文涵盖了用于玻璃和遮阳的节能技术，以减少太阳热量的增加。凉爽的屋顶可以有效地将阳光反射回大气，并且还可以显着降低建筑物的太阳能热增益。此外，为了在城市中创造一个凉爽的室外环境，引入了减轻城市热岛效应的策略。最后，提出了政策建议，例如改进建筑规范和标准；为被动冷却技术创建标签和认证；建立激励计划以促进被动绿色建筑；教育建筑师，建筑商和居住者；并制定可持续的城市政策。 关键字:建筑物,建筑围护结构,冷屋顶,热舒适,被动冷却,政策 JEL分类：R0 Contents 1.介绍1 2.充足的建筑设计3 2.1建筑方向和体量3 2.2窗墙比4 2.3制定节能的空间调节策略4 2.4减少冷却的建筑设计最佳实践总结能源需求5 3.免费冷却解决方案6 3.1自然通风和自由冷却6 3.2其他免费冷却解决方案8 4.高性能建筑信封8 4.1不透明建筑信封9 4.2建筑开窗系统10 4.3降低冷却负荷的先进包络设计示例13 4.4减少建筑围护结构设计的最佳实践总结冷却负载13 5.凉爽的屋顶和表面14 5.1凉爽的屋顶14 5.2酷墙17 5.3凉爽屋顶最佳实践总结17 6.减少城市热岛效应的城市规划18 7.减少冷却需求的政策工具20 7.1建筑规范和标准21 7.2标签和认证22 7.3激励政策22 7.4能力建设和培养被动冷却行为22 7.5可持续城市规划政策23 7.6百万酷屋顶挑战23 8.被动式制冷建筑设计与案例研究23 8.1设计与环境学院4净零能耗建筑23 8.2深圳建筑研究院被动设计24 9.结论和政策建议25 参考文献27 1.INTRODUCTION 确定如何在不使用机械冷却的情况下使居住者感到舒适对于减少冷却能源需求至关重要。 我们每个人都可能有不同的环境温度，我们感到舒适，并且有许多标准试图定义舒适温度和湿度水平的共同范围。例如,如图1所示,美国制冷和空调工程师协会(ASHRAE)标准55定义了居住者热舒适区的温度和湿度范围。空调倾向于在这种舒适区之外使用,当温度高于该范围时冷却。 图1：具有温度和相对湿度范围的热舒适区 资料来源：ASHRAE标准55。 室内温度的升高通常是由从外部环境到建筑物的热量传递以及内部热量的增加引起的。居住者的新陈代谢率和服装选择也会影响他们的热舒适度和空间冷却的使用。冷却空间以满足居住者的热舒适标准所需的冷却能量的量称为“冷却负荷”。图2示出了来自不同来源的建筑物热增益。在冷却季节，穿过建筑物窗户和天窗的太阳辐射是室内热增益（辐射热增益）的主要来源之一。当室外温度高时,热量也可以通过建筑物围护结构传递到室内空间中。当在不透明的建筑物表面上接收太阳辐射时，也会发生热传导，并且建筑物外表面温度的升高会导致热通量进入其内部空间（传导和对流热增益）。 室内热增益也会导致室内温度升高和冷却负荷增加。内部热量可以从人体以及室内电气设备（例如照明，计算机，烹饪设备和电器）中散发出来。室内环境中的水分变化也会引起不适。为了减少室内环境中的水分（例如淋浴产生的水分），通常需要冷却能量来吸收水分或将水分冷凝成水。用于从空气中去除水分的能量通常被称为“潜热”，而用于调节室内空气温度的能量被称为“显热”。“在炎热潮湿的气候或产生大量室内水分的建筑物中，适当地管理水分并将其从室内去除与调节室内空间温度一样重要。值得一提的是，在发展中地区和低收入社区，居民可能负担不起空间调节。被动冷却解决方案(Peters和Sayi2022a,b)是优选的。 低成本解决方案。本文还将涵盖建筑物的被动设计策略，例如自然通风，凉爽的屋顶和表面，以及使用风扇提供良好的热舒适性。 出于冷藏目的，还需要冷却以保持食物新鲜并保持药物有效（例如Procedre、疫苗)。将食物储存在冰箱中是保持食物新鲜的常用方法。除了家用冰箱和商用冷藏柜外，冷藏还常见于冷链中，用于将食品或医疗产品从一个地方运送到另一个地方，通常在世界各地。制冷系统通常安装在卡车和运输集装箱以及仓库中。 图2：建筑空间热增益 来源：作者自己。 由于被动冷却可以有效地减少机械冷却的能源需求，因此本文介绍的被动冷却设计和技术特别适合于推广针对低收入社区的具有成本效益的冷却方法。为了确定减少建筑环境中冷负荷的方法，本文讨论了许多基本原则，包括更好的建筑设计，高性能的建筑围护结构系统，使用凉爽的屋顶和反射表面，以及可持续的城市规划。 除了技术解决方案外，还需要融资解决方案来扩展绿色和节能的冷却系统。各种融资工具可用于促进冷却技术的购买、安装和节能运行。商业金融工具通常包括贷款、股权投资和风险缓解工具。随着金融机构更加关注气候变化，可以利用某些融资机会来解决制冷问题，例如利用气候资金，为制冷剂更换提供资金以及提高能源效率。由于被动措施的低成本特征，在推广节能，绿色和净零碳建筑时，应优先考虑被动冷却解决方案。 本文的目的是介绍实施被动冷却措施的技术机会，并为政府提供政策工具，以推动采用被动解决方案 。本文介绍了几种被动冷却方法，例如适当的建筑设计（第2节），自由冷却和自然通风（第3节 ），高性能建筑围护结构（第4节），凉爽的屋顶和表面（第5节）以及减少城市热岛效应的城市规划方法（第6节）。然后，它提供了政策工具，以帮助国家和地区在建筑物中实施被动冷却措施（第7节）。综合案例研究提供了实施这些被动措施的例子。 2.充足的建筑设计 建筑设计是在不安装昂贵的建筑技术的情况下帮助减少冷负荷的首要方法。为了减少冷负荷，建筑设计的关键目标是避免建筑太阳能热增益，并利用其自然冷却环境来增强无能量冷却。 2.1建筑定位和体量 正确定位建筑物以减少太阳能热增益可以有效地减少冷却能源需求。建筑物的形状和建筑物围护结构材料类型也对冷却能量的使用有很大的影响。在设计阶段，通常需要进行能源模拟分析，以计算不同设计策略下的制冷能源需求，并考虑到场地，景观和遮阳分析的外部环境的约束。定向和体量设计的一般原则用于确保建筑物从室外环境（包括太阳辐射）接收尽可能少的热量传递。大多数绿色建筑设计要求建筑物利用日光。在设计阶段需要考虑在节能、日光利用和冷却负载减少之间找到平衡。 另一种设计策略是使建筑物靠近自然冷却资源，例如河流，池塘，湖泊或绿色植被。相邻的凉爽资源可以提供对建筑物通风有用的自然微风。了解当地 \风廓线和优化建筑物的方向可以最大限度地提高其自由冷却机会。 分析建筑物的内部功能空间也很重要，因为并非所有功能空间都需要机械冷却。将一些不需要太多空调的区域（例如，走廊，楼梯）分配给接收大量太阳能增益的位置也是一个很好的设计策略（图3）。 图3：减少未占用空间调节能量的定位和聚集策略 来源：作者自己。 2.2窗墙比 窗户与墙壁的比率(WWR)是窗户面积与总立面面积的比率。WWR值的范围在0和1之间。正确设计建筑物的窗户区域对于减少冷却能源需求以及利用日光非常重要。如今，建筑师通常喜欢设计大窗户面积的立面，因为与不透明的墙壁相比，窗户往往成本更低，并且易于建造。然而,大窗户面积通常意味着建筑物将接收更多的太阳辐射,并且可能增加其冷却需求。几个国家的建筑能源法规和标准已经制定了法规，以限制新建筑设计中的WWR。例如,美国ASHRAE标准90.1将WWR限制为40%。如果建筑物需要建造的WWR值大于40％，则设计团队需要考虑采取更积极的节能措施，以证明增加WWR不会显着增加建筑物的冷却能源使用。当设计师选择大型WWR时，通常会采用先进的阴影方法和采光利用策略。第5.2节介绍了设计建筑物开窗系统以实现良好的冷却节能的方法。 2.3制定节能的空间调节策略 决定需要为每个建筑区域部署哪种冷却服务，以及在什么时候必须部署，是非常重要的设计问题。应在确定分区和WWR设计策略的同时制定冷却策略的设计。总体而言，并非建筑物中的所有区域都需要在整个冷却季节中具有相同的冷却质量。诸如数据中心之类的一些区域可能需要24/7的机械冷却以保持恒定的室内空气温度,而诸如走廊之类的区域可能不需要像办公室空间那样的高质量冷却。提供机械冷却的一般原则是制定“部分时间部分空间”策略，仅在需要时对空间提供机械冷却，并最大限度地利用自然通风和自由冷却的机会。 一些功能空间不需要冷却或全面冷却服务。居住者不会在空间中花费大量时间的走廊、楼梯和储藏室可能不需要冷却或不需要在与其他占用空间相同的温度下冷却。由于居住者的热舒适标准不同,因此也不必用相同的室温设定点来调节整个开放式办公空间。在每个居住者的工作站提供个人冷却直接向居住者提供冷却，而不是调节整个开放式办公室，这大大减少了冷却能源需求。 选择合适的机械冷却时间需要设计人员分析当地的天气数据，并了解每栋建筑的自然通风潜力。只有当自然通风不能满足居住者的自适应热舒适要求时，才最好打开机械冷却。即使在同一个房间里，机械冷却也不需要一直在相同的条件下运行。改变房间设定点或在房间未被占用时关闭冷却可以节省大量的冷却能源需求。使用现代控制技术和建筑管理系统（BMS）来控制冷却设定点并安排冷却开启和关闭是减少冷却能源使用的有效方法。为了避免过冷和不必要的能源浪费，控制算法可以根据建筑物的占用水平和室外天气条件来调整冷却系统的运行。 2.4降低冷却能源需求的建筑设计最佳实践总结 设计建筑物以减少冷却能源需求的一些最佳实践总结如下： 优化建筑物的体量和方向，以减少室外环境的热量。 利用室外环境中的自然冷却资源（例如池塘，河流，植被）来增强自然通风。 正确设计建筑物的窗户面积和窗户与墙壁的比值，以最大程度地减少太阳热增益并利用日光